于 洋，胡誠(chéng)程，楊可明，原 磊

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海201913）

0 引 言

高質(zhì)量、高效率、安全造船一直是造船廠追求的目標(biāo)。在現(xiàn)代造船模式下，船體結(jié)構(gòu)是分段建造的，隨著車間制造能力的提升和船舶產(chǎn)品的升級(jí)換代，分段劃分日益朝大型化方向發(fā)展，分段結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜化，大型復(fù)雜分段的制造難度越來(lái)越高，制造周期越來(lái)越長(zhǎng)。因此，如何在生產(chǎn)資源投入基本不變的情況下有效提高大型復(fù)雜分段的制造效率，控制分段制造周期，是造船業(yè)需研究的課題。

大型復(fù)雜分段制造中主要包含裝配和焊接兩大工種[1]，其中：裝配是將船體零件和部件組合成分段的過(guò)程；焊接是按工藝要求將裝配好的結(jié)構(gòu)連接在一起的過(guò)程。從整個(gè)分段的制造流程看，焊接滲透整個(gè)裝配過(guò)程，但從單個(gè)部件的制造流程看，裝配是焊接的前道作業(yè)，裝配的順序直接決定結(jié)構(gòu)焊接施工的難易程度，裝配作業(yè)的結(jié)束時(shí)間直接決定焊接作業(yè)的開(kāi)始時(shí)間。大型復(fù)雜分段具有結(jié)構(gòu)尺寸大、重量重、零部件多和布置密集等特征，這使得結(jié)構(gòu)裝配工序多，工藝復(fù)雜，操作難度大，整個(gè)分段的制造周期較長(zhǎng)。但是，在以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的現(xiàn)代造船模式下，大型復(fù)雜分段的制造也存在并行交叉作業(yè)[2]，因此在分段制造管理中找到影響分段制造周期的關(guān)鍵任務(wù)[3-4]，并對(duì)其進(jìn)行有效管理，通過(guò)采取合理的工藝分解和流程優(yōu)化措施縮短關(guān)鍵任務(wù)耗時(shí)，能有效縮短分段制造周期[5-6]，達(dá)到高效生產(chǎn)的目的。

1 典型分段傳統(tǒng)組立流程分析

1.1 分段結(jié)構(gòu)分析

圖1為某船底部雙層底分段結(jié)構(gòu)模型，其中：分段外部主要由底板、外板和甲板組成，底板與外板之間為曲形舭部外板結(jié)構(gòu)；分段內(nèi)部主要由縱艙壁、橫艙壁、T型肋板、橫梁、縱骨和加強(qiáng)肘板等部件交叉連接而成。按生產(chǎn)設(shè)計(jì)零件拆解，整個(gè)分段共包含970個(gè)零件，其中，主板零件202個(gè)，型材零件76個(gè)，肘板零件216個(gè)，補(bǔ)板零件167個(gè)，面板零件147個(gè)，加強(qiáng)筋162個(gè)。有些零件看似相同，實(shí)則不同，因不同零件的厚度、材質(zhì)、形狀、大小、坡口和收縮量等存在差異，使得零件具有唯一性，在裝配時(shí)必須將特定的零件裝配到特定的位置，不可互換使用。

圖1 某船底部雙層底分段結(jié)構(gòu)模型

1.2 中間產(chǎn)品導(dǎo)向型任務(wù)分解

現(xiàn)代造船模式按區(qū)域/類型/階段一體化組織生產(chǎn)[7]，船體分段作為船體結(jié)構(gòu)建造中的重要中間產(chǎn)品，其建造過(guò)程也需進(jìn)行較多的作業(yè)任務(wù)分解和裝配組合。根據(jù)底部雙層底分段結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用成組技術(shù)，按空間上分道的原則，將分段建造過(guò)程的組立級(jí)別拆分為一級(jí)小組立、二級(jí)小組立、平面中組立、曲形中組立和大組立。根據(jù)制造車間作業(yè)分工，整個(gè)分段的具體組立流程見(jiàn)圖2，小組立以分段為單位在部件作業(yè)區(qū)進(jìn)行裝配和焊接，完成之后配送到裝焊作業(yè)區(qū)，開(kāi)始進(jìn)行相應(yīng)的中大組立裝焊作業(yè)。

圖2 任務(wù)分解及作業(yè)流程

2 分段制造工期預(yù)估

2.1 分段制造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)預(yù)估

船體分段結(jié)構(gòu)制造工時(shí)主要包括零部件的物流配送工時(shí)、裝配工時(shí)、焊接工時(shí)、修補(bǔ)和檢驗(yàn)工時(shí)，其中裝配工時(shí)和焊接工時(shí)占分段制造工時(shí)的80%以上，通過(guò)計(jì)算這2種工時(shí)，并結(jié)合分段零部件數(shù)量和建造難易系數(shù)，即可估算出整個(gè)結(jié)構(gòu)的制造標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)。

焊接工時(shí)與焊接物量有關(guān)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)制造階段、組立類型、焊接方法、焊接位置、焊縫長(zhǎng)度和焊接零件厚度等關(guān)鍵屬性要素進(jìn)行計(jì)算，這些屬性要素可在分段結(jié)構(gòu)建模結(jié)束之后，從船舶設(shè)計(jì)軟件中提取[8]。

在船體結(jié)構(gòu)制造中，裝配作業(yè)與焊接作業(yè)相互交叉、相互依存，因此裝配工時(shí)能以焊接物量為基礎(chǔ)進(jìn)行估算，如對(duì)接焊縫需要對(duì)接裝配，角接焊縫需要角接裝配，單面焊雙面成形焊的焊縫長(zhǎng)度是裝配長(zhǎng)度的1倍，角接縫的焊縫長(zhǎng)度是裝配長(zhǎng)度的2倍，不同焊接方法對(duì)裝配的要求不同使得裝配效率有所不同。由于曲形組立需要在胎架上裝配，因此曲形組立的裝配工時(shí)包含胎架制作工時(shí)。

工期是指完成每項(xiàng)制造任務(wù)實(shí)際花費(fèi)的時(shí)間，以結(jié)構(gòu)物量為基礎(chǔ)，結(jié)合制造車間資源配置，通過(guò)工時(shí)轉(zhuǎn)換得出雙層底分段各項(xiàng)制造任務(wù)的工期（見(jiàn)表1）。

表1 任務(wù)排序和工期預(yù)估

2.2 分段制造關(guān)鍵路徑分析

關(guān)鍵路徑法是一種網(wǎng)絡(luò)圖分析方法，網(wǎng)絡(luò)圖節(jié)點(diǎn)表達(dá)見(jiàn)表2，其工作原理是為每個(gè)最小制造任務(wù)計(jì)算工期，并定義最早開(kāi)始時(shí)間tES、最早結(jié)束時(shí)間tEF、最遲開(kāi)始時(shí)間tLS和最遲結(jié)束時(shí)間tLF，按制造任務(wù)的緊前緊后關(guān)系形成網(wǎng)絡(luò)邏輯圖，所有作業(yè)時(shí)差為零的任務(wù)組成的路線即為完成整個(gè)制造任務(wù)所需要的最長(zhǎng)路徑，即關(guān)鍵路徑。

表2 關(guān)鍵路徑法網(wǎng)絡(luò)圖節(jié)點(diǎn)表達(dá)

在船體分段結(jié)構(gòu)制造中，關(guān)鍵路徑為從船體分段小組立制造開(kāi)始至大組立制造完成過(guò)程中延時(shí)最長(zhǎng)的一條任務(wù)路徑，分段結(jié)構(gòu)制造周期受分段制造關(guān)鍵路徑的制約，與其他延時(shí)小的任務(wù)路徑無(wú)關(guān)。以分段制造的每項(xiàng)制造任務(wù)的工期為基礎(chǔ)，按制造任務(wù)之間的緊前緊后關(guān)系建立網(wǎng)絡(luò)邏輯圖（見(jiàn)圖3），通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)工序C、M2和G的時(shí)差為0，因此C→M2→G為傳統(tǒng)組立流程下的關(guān)鍵路徑，分段制造總工期為365h。

圖3 傳統(tǒng)組立流程網(wǎng)絡(luò)邏輯圖

3 基于關(guān)鍵路徑的分段組立流程優(yōu)化

關(guān)鍵路徑是分段制造任務(wù)中耗時(shí)最長(zhǎng)的路徑，決定著分段制造的總工期，若要提高分段制造效率，需縮短關(guān)鍵路徑上的關(guān)鍵制造任務(wù)所需時(shí)間，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵路徑上的組立流程進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)關(guān)鍵制造任務(wù)生產(chǎn)資源進(jìn)行優(yōu)先安排，達(dá)到縮短分段制造工期的目的。

3.1 分道建造小組立

分道建造是現(xiàn)代造船模式的重要組成部分[9]，在傳統(tǒng)組立流程中，小組立C為DK1A甲板中組立的前道工序，需在小組立C整體裝焊完成并配送到中大組立車間之后，DK1A中組立才能開(kāi)始制造，而小組立C的制造工期達(dá)112h，占整個(gè)制造工期的30%。

從圖2中可看出，小組立C由116個(gè)一級(jí)小組立和23個(gè)二級(jí)小組立組成，而在任務(wù)流向上，這139個(gè)小組立一部分歸屬于BS1A底板中組立，一部分歸屬于BS1B中組立，還有一部分歸屬于DK1A甲板中組立。因此，相對(duì)于關(guān)鍵制造任務(wù)DK1A甲板中組立制造開(kāi)工所需的這部分小組立，關(guān)鍵制造任務(wù)小組立C多裝焊了屬于BS1A底板中組立和BS1B中組立的小組立，延長(zhǎng)了小組立C的工期。

基于分道建造的理念，為確保關(guān)鍵制造任務(wù)DK1A甲板中組立制造提前開(kāi)工，可將小組立C拆分成屬于DK1A甲板中組立的小組立C2和不屬于DK1A甲板中組立的小組立C1，二者分道建造和配送（見(jiàn)圖4）。

圖4 小組立分道建造的任務(wù)分解及作業(yè)流程

按照新的任務(wù)分解，建立小組立分道建造的組立流程網(wǎng)絡(luò)邏輯圖（見(jiàn)圖5）。從圖5中可看出，新的關(guān)鍵路徑為C2→M2→G，總工期為336d，相對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)流程，采用小組立分道建造和配送的優(yōu)化措施，總工期可縮短8%。

需說(shuō)明的是，因小組立C1為非關(guān)鍵制造任務(wù)，即使包含屬于2個(gè)中組立的小組立，為減少理料和配送工作，可不對(duì)小組立C1做進(jìn)一步的分道拆解。同時(shí)，為確保關(guān)鍵路徑上的工期不受影響，在生產(chǎn)資源安排上優(yōu)先保證小組立C2的制造需求。

圖5 小組立分道建造的組立流程網(wǎng)絡(luò)邏輯圖

3.2 增加中組立數(shù)量

在新的關(guān)鍵路徑C2→M2→G上，關(guān)鍵制造任務(wù)C2、M2和G之間為串聯(lián)建造關(guān)系，各制造任務(wù)的工期都難以進(jìn)一步壓縮。但是，若采取增加中組立數(shù)量的措施，對(duì)關(guān)鍵路徑上的制造任務(wù)做進(jìn)一步拆解，會(huì)產(chǎn)生新的制造路徑，出現(xiàn)并行建造關(guān)系[10]，同時(shí)減少原關(guān)鍵任務(wù)的工作量，使整體工期得到壓縮。

圖6為關(guān)鍵路徑C2→M2→G上增加中組立數(shù)量的任務(wù)分解及作業(yè)流程。由于車間采用總分式布局，即1個(gè)小組立作業(yè)區(qū)滿足多個(gè)中大組立作業(yè)區(qū)的小組立需求，使得小組立生產(chǎn)壓力較大，前后道物量供需匹配不協(xié)調(diào)，若將一部分小組立移送到中大組立作業(yè)區(qū)制造，既能緩解小組立作業(yè)區(qū)的壓力，又能平衡前后道物量。基于以上考慮，在對(duì)關(guān)鍵路徑進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，將小組立C2中尺寸和工作量較大的二級(jí)小組立移送中大組立車間制造，形成SS1A、FR55C、FR55E和LB37B甲板中組立，剩余的小組立定義為小組立C3，以進(jìn)一步縮短小組立制造工期。同時(shí)，根據(jù)DK1A甲板中組立的結(jié)構(gòu)特征和裝配工藝特征，在建造DK1A甲板中組立之前，增加DK1C中組立，使得新的DK1A甲板中組立制造物量減少，裝配和焊接難度降低。

按照增加中組立數(shù)量的任務(wù)分解，針對(duì)原關(guān)鍵路徑上的制造任務(wù)部分建立組立流程網(wǎng)絡(luò)邏輯圖（見(jiàn)圖7）。從圖7中可看出，增加中組立數(shù)量之后，產(chǎn)生了新的關(guān)鍵路徑C3→M3→M4→M2→G，總工期為292h，相對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)流程，總工期減少了20%。

3.3 實(shí)船應(yīng)用

綜上所述，通過(guò)小組立做小、中組立做多和合理分道，可明顯縮短分段制造工期。基于該研究成果對(duì)設(shè)計(jì)圖紙和套料原則進(jìn)行優(yōu)化，從設(shè)計(jì)和工藝源頭進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)圖紙和下發(fā)數(shù)據(jù)的雙重落地，帶動(dòng)制造端的變革，最終達(dá)到縮短分段制造工期的目的，并在兩型新建產(chǎn)品上進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用。

船體分段組立流程優(yōu)化圖是在制造現(xiàn)場(chǎng)分解生產(chǎn)任務(wù)和開(kāi)展分段裝配施工用到的重要指導(dǎo)圖紙（見(jiàn)圖8），基于小組立做小、中組立做多的思想，對(duì)船體分段組立流程圖進(jìn)行優(yōu)化，相對(duì)于傳統(tǒng)圖紙，小組立物量減少32%，中組立物量增加29%。

圖6 增加中組立數(shù)量的任務(wù)分解和作業(yè)流程

圖7 增加中組立數(shù)量的分段組立流程網(wǎng)絡(luò)邏輯圖

圖8 船體分段組立流程優(yōu)化圖

分段建造是以零件切割為起點(diǎn)的，因此套料數(shù)據(jù)是制造現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分道切割和建造的重要基礎(chǔ)。為確保研究成果順利落地，在原有中大組立混套原則的基礎(chǔ)上建立新的中組立套料拆分原則，以船體分段組立流程為基礎(chǔ)，將中大組立零件分開(kāi)套料，確保中組立和配送至中組立的小組立能優(yōu)先切割，有效保證關(guān)鍵路徑上的關(guān)鍵任務(wù)順利完成，確保整個(gè)分段制造工期不受影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于關(guān)鍵路徑法對(duì)大型復(fù)雜分段裝配作業(yè)流程進(jìn)行分析，找到分段裝焊過(guò)程中的關(guān)鍵路徑，并通過(guò)采用分道建造小組立和增加中組立數(shù)量的措施對(duì)關(guān)鍵路徑上的關(guān)鍵制造任務(wù)進(jìn)行重新分解和優(yōu)化，達(dá)到縮短分段制造工期的目的，對(duì)提升企業(yè)工藝設(shè)計(jì)能力和生產(chǎn)管理能力具有重要的指導(dǎo)意義。研究發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)計(jì)劃安排上：對(duì)于關(guān)鍵制造任務(wù)，優(yōu)先為其安排生產(chǎn)資源，以確保制造工期不受影響；對(duì)于非關(guān)鍵制造任務(wù)，可在資源調(diào)配允許的情況下，盡量在時(shí)差規(guī)定的時(shí)間內(nèi)晚開(kāi)工，以更好地解決后道物量需求與前道物量供應(yīng)之間的矛盾，使生產(chǎn)更加順暢。